长距离跨水域高程控制关键技术研究

广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507

随着公路设计水平的提升和建设项目的需求，项目中出现了较多水域跨度大的特大桥工程。在此类工程测量过程中，需布设高精度的高程控制网。

文章的研究依托湛江东海岛至雷州高速公路项目中通明海特大桥的控制网布设工程。通明海特大桥全长5830m，通过分析桥位附近的测量条件，对测量技术与方法进行了创新和改进，最终得到了高精度的高程控制数据。

1 项目方案设计

1.1 桥梁控制网方案优化

控制网的方案设计会影响整个控制网的精度。文章在高程控制测量阶段充分考虑大型构造物精度要求高的因素，从以下三个方面对布设及测量方案进行改进，以提高控制网的精度。

（1）结合项目的特点和现场的地形、地质条件以及后期的施工阶段需求，对控制网的网形和控制点点位进行设计，以提高整个控制网的平差解算精度。

（2）针对精度级别要求较高、观测条件较为苛刻的特点，对传统的跨水域高程控制测量方法以及测量仪器加以改进，以克服较差的测量观测条件，从而提高获取的原始数据精度。

（3）结合工程项目中的实际情况，综合采用水准测量、跨河三角高程测量、GNSS高程拟合多种测量方法，对得到的数据成果进行综合对比及融合分析，从而获取最优的数据模式，以确保高程控制测量成果的高精度和可靠性。

1.2 测量方法改进

由于传统的高程控制测量方案各有优缺点，因此在观测条件差的跨水域高程控制测量中，需总结以往工程实际应用过程中的经验教训，根据项目的具体情况对测量方法进行改进。

（1）光学水准测量技术方法较为成熟，一般在长距离跨水域水准测量过程中依据现场情况选用光学测微法、倾针螺旋法等方法；特殊情况下会根据现场情况采用夜间观测方法。

（2）GNSS高程拟合方法相对灵活，对于海拔较低、水系较多，似大地水准面较平滑，尤其是高等级高程起算点不足或没有的地区，用GNSS跨河水准方法建立统一的跨河高程控制网非常高效适用。其误差来源主要为GNSS仪器自身测量误差和似大地水准面的拟合误差。在项目的操作过程中，采用了相应的方法来提高高程控制测量的精度：①在选用GNSS仪器硬件上需配备大地型双频接收机，以提高观测数据的精度。②布设强制观测墩，可避免仪器高度测量的误差。③似大地水准面的拟合精度决定了其观测精度，而似大地水准面的拟合需要布设外延点，布点方案优化设计会显著提升其拟合精度。根据测区面积、地形起伏大小、所采用的拟合模型及拟合精度等级等因素，综合选定相应的布网方式。一般而言，GNSS水准点应均匀分布在整个测区，故测区边缘必须有足够数量的公共点，地形起伏较大、高程异常，有明显变化的局部区域应适当增设GNSS水准点。④选择在地形较为平坦的平原、丘陵与河流两岸地貌形态基本一致地区布设控制点，非跨河点位于跨河点连线的延长线上，且各点间距离大致与跨河距离相等。按照GNSS跨河水准测量的技术要求（见表1），在两岸各布设了2个非跨河控制点。

表1 GNSS跨河水准测量的技术要求

（3）采用测距三角高程测量进行长距离跨水域高程控制测量，其误差来源大致可分为外界环境的影响、仪器误差的影响、照准和读数误差的影响。在高程控制测量中，针对各种影响因素，对测量方法及相关仪器进行的优化、改进如下：①对全站仪进行改造，并在全站仪把手上设计定做了一个棱镜头连接器，并按过河水准距离专门设计定做了2个宽60cm、高40cm大小的觇板，在实现跨河水准测量的同时进行对向观测，以消除地球曲率和大气折光对观测高差的影响。②按规范要求过河水准测量多组数据，垂直角每组观测多测回。所用仪器测角精度为一测回方向观测中误差不大于1″。测距等级为Ⅱ级（5＜mD≤10，mD为测距中误差）。③晴天光线较强，从顺光方向看目标较为清晰，而从逆光方向看目标则很模糊，观测过程中，选择撑测伞并在镜头上配备遮光罩，以解决该问题。

2 控制测量实施

2.1 控制网测设

通明海特大桥跨越通明海峡，两岸适宜布设控制点的位置的直线距离为3.9km。依据工程实际情况及相关规范，对此项目的桥梁独立高程控制网进行了专题设计，综合选用测距三角高程法结合光学水准测量方法和GNSS高程拟合法进行。

在河两边选取GD10、GD11、GL54、GL27四个点组成四边形，过河水准采用经典双线跨江的方法，并在两岸水准点间（GD10-GD11、GL54-GL27）用电子水准仪按二等水准精度进行往返测，再和过河水准高差一起进行平差计算。

过河水准采用距三角高程同时对向观测的方法，选择气象条件稳定、成像清晰的时段同时对向观测。过河水准观测了8组，垂直角每组观测32测回，指标差、测回互差超限时进行了补测，气象不稳定时则对该组全部进行了重测。每组间变换仪器高和棱镜高，仪器高和棱镜高分别在测前测后量测2次，2次较差不大于1mm，观测边长时在全站仪进行温度和气压的自动改正，边长对向观测4测回以上，每测回边长较差不大于1mm。观测完毕后及时对手簿进行检查，确认观测成果符合规定后进行高差计算，取往返测高差中数作为测段高差。

岸上水准点间二等水准使用电子数字水准仪配相对应的铟钢水准标尺，采用后—前—前—后顺序进行往返测；外业观测的各项限差均满足《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）（以下简称《规范》）要求，见表2。

表2 水准外业观测限差值

采用GNSS高程拟合方法进行外业观测的过程中，借助LeicaGS15大地型双频接收机对跨河点与非跨河点进行测量，GNSS高程控制外业观测的相关指标参数严格按照《规范》中的高程观测要求进行（见表3）。观测时段数采用4×s，其中，跨河视线长度s取4，则观测时段数为16。对跨河点与非跨河点进行测量后，在同岸点之间进行水准测量。使用水准仪测定同岸跨河点与非跨河点的水准高差，依据观测数据进行拟合平差。

表3 GNSS高程观测要求

2.2 控制数据分析

二等桥梁独立高程控制网平差计算采用南方公司平差易程序计算，以GD10作为起算点，平差后每公里高差中误差为0.68mm，小于《规范》允许值±2.0mm；最弱点高程中误差为0.86mm，小于《规范》允许值±10.0mm；每公里高差偶然中误差为0.32mm，小于《规范》允许值±1mm；其各项精度指标均满足《规范》要求。

为确保控制网高程控制测量数据的可靠性，对三角高程观测数据和GNSS拟合高程数据进行对比。对比结果见表4。

表4 高程结果数据对比

3 结束语

文章依据项目的实际特点，制订了相应的控制测量方案，采用了多种测量方法，以提高测量结果的可靠性，并对各测量技术手段进行了改进，对多种测量成果数据进行了对比分析和综合平差。通过在实际工程项目中的实践应用，提升了测量成果的精度和可靠性，提高了效率并节省工程造价，可为国内跨度大于3.5km的长距离跨海高程控制测量提供一定参考价值。长距离跨水域高程测量作为一种高精度控制测量，今后还需在实际项目中不断被研究和创新，从而得到精度更高、更为可靠的成果数据。